FAKULTET ELEKTROTEHNIKE I RAČUNARSTVA

ZAVOD ZA ELEKTROSTROJARSTVOI AUTOMATIZACIJU

ELEKTROMOTORNI POGONI UEKSPLOZIJSKI UGROŽENIM PROSTORIMA

ELECTRICAL DRIVES FOR USE IN POTENTIALLY  EXPLOSIVE  ATMOSPHERES

Prof. dr. sc. Drago Ban

Skopje, 2014.

2

MODERNI ELEKTROMOTORNI POGON, STRUKTURA

IZVOR ELEKTRIČNE

ENERGIJE

PRETVARAČ ELEKTRIČNE

ENERGIJE

Elektromehanički pretvarač(motor)

Električnaenergija

(fiksni oblik)

RADNI STROJ(TEHNOLOŠKI

PROCES)

Mehaničkaenergija

REGULATOR

Zadana veličina(brzina, položaj)

Senzori i pretvarači

Električna energija (promjenljiv oblik)

Tok energije

Tok signala

D. Ban 2014.

3

Funkcionalni dijagram izmjeničnog EMP (IEC 61800‐2)

4

MODERNI ELEKTROMOTORNI POGONI, VAŽNOST

60‐65% sveukupno proizvedene električne energije na zemlji se pretvara u mehanički rad posredstvom elektromotornih pogona

Na mnogim procesnim postrojenjima 80‐90% električne energije troši se u elektromotornim pogonima (rafinerija plina CPS Molve(RH) oko 90%, Jadranski Naftovod (RH)oko 90%)

Pojedinačne snage elektromotornih pogona se kreću od reda mW do 200 MW (mehatronički uređaji su za najmanje snage, pumpno‐ akumulacijske elektrane za najveće snage).

5

OSNOVNA KONFIGURACIJA REGULIRANOG EMP‐A U EKSPLOZIJSKI UGROŽENOM PROSTORU

U eksplozijski ugroženom prostoru obično se nalazi elektromotor i radni stroj a ostale komponente elektromotornog pogona su u sigurnom prostoru.

Izvo

r nap

ajan

ja,

mre

žaIz

vor n

apaj

anja

, m

reža

(Hazardous area)(Safe area)

D. Ban 2014.

6

ELEKTROMOTORNI POGONI U EKSPLOZIJSKI UGROŽENIM PROSTORIMA

Standardi za pogone u eksplozijski ugroženim prostorima:

EUROPSKE ZEMLJE:EUROPA ATEX,  EN   i  IEC  STANDARDS

NORTH AMERICAN SYSTEM IMA 2 PODSISTEMA:NORTH AMERICAN NATIONAL ELECTRIC CODE (NEC)  called ANSI/NFPA 70and CANADIEN (CEC) CANADIAN ELECTRIC CODE         called CSA C22.1

Uz važeće Traditional Systems, NEC I CEC ,  američke države prihvaćaju sveviše IEC standarde zbog velikog tržišta

7

IEC, ATEX, CENELEC

IEC Ex  sistem je općenito prihvaćen širom svijeta s minimalnim  lokalnim      prilagodbama

ATEX  94/9/EC, ( The Explosive Atmospheres Directive)  je europska direktiva obavezna u primjeni od 2003.god, za sve zemlje evropske unije,  oznaka   EN  sa serijskim brojem standarda

CENELEC  (The European Committe for Electrical Standardization) razvija elektrotehničke standarde za Evropsku uniju. Standardi protueksplozijske zaštite u Evropi i IEC standardi su jednaki jer za njih paralelno glasaju u CENELEC‐u i IEC‐u.  

Primjer:IEC 60079‐0  je  EN 60079‐0  za CENELEC, BS EN 60079‐0 za United Kingdom,    

HRN EN 60079‐0 za Hrvatsku

8

Eksplozivna atmosfera, trajanje IEC/ EN System Nort American

(Hazardous are is expected to exist..)

Ekspozivna atmosfera prisutna trajno ili u dugim vremenskim intervalima Zona 0                           Division 1 *( Američki termin:  Continuous) (or zone 1)

Eksplozivna atmosfera se očekuje Zona 1 Division 1povremeno u normalnom radu < 1000 h(Američki termin: Intermittent)

Ekspl.atmosfera se ne očekuje u normalnom radu, a ako se pojavi Zona 2 Division 2trajat će samo kratko vrijeme <10 h/god. (Američki termin:  Abnormal)

U zoni 0 općenito nije dozvoljena primjena elektromotora *nema nacionalno prihvaćenog standarda

KLASIFIKACIJA EKSPLOZIJSKI UGROŽENIH PROSTORA, IEC/EN I NORT AMERICAN RULES

9

ELEKTROMOTOR  ZA EKSPLOZIJSKI UGROŽENI PROSTORIzvori opasnosti i principi izbora

Dva su temeljna principa izbora elektromotora za pogone u eksplozijski ugroženim prostorima:Prvi je da se odabere vrsta motora u kojemu se u normalnim pogonskim uvjetima i pri startanju ne pojavljuju uzročnici paljenja eksplozivne atmosfere: električni luk, iskrenje i nedozvoljeno visoke temperature.Drugi je da se mehaničkim i/ili električkim zaštitama sprječava  pojava uzročnika zapaljenja i kontakta zapaljive atmosfere s njima.Za eksplozijski ugrožene prostore u novim postrojenjima najčešće se koriste asinkroni kavezni motori, sinkroni motori s trajnim magnetima, Brushless sinkroni motori (bez četkica i kliznih koluta), a vrlo rijetko komutatorski motori.Pravilan izbor elektromotora s obzirom na pogonske uvjete u eksplozijski ugroženim prostorima je najvažnija mjera zaštite. Odabrati neodgovarajući motor pa u pogonskim uvjetima tražiti način da se ispravan rad osigura raznim zaštitnim mjerama je potpuno krivi pristup.

10

Primjer potpuno uništenog kaveza rotora asinkronog motora u uvjetima “teški elektromotorni pogon”

Iskrenje i el.luk

11

PROTEKSPLOZIJSKE ZAŠTITE ELEKTROMOTORA, VRSTE I OZNAKE

Vrsta i oznaka protueksplozijske zaštite Standard

Oklapanje (engl. flameproof)  Ex dZaštita  od  eksplozije  se  osigurava  oklapanjem motora  kućištem  koje mora  izdržati tlak eksplozije i osigurati da se eksplozija ne prenese izvan motora, na okolni prostor. Kod normalnog pogona ne smije biti nedozvoljeno vrućih površina na kućištu motora ni iskrenja.

IEC 60079‐1

EN 60079‐1

Povećana sigurnost (engl. increased safety) Ex eZaštitom se mora spriječiti pojavu nedozvoljeno vrućih površina motora, elek.  luka  i iskrenja    u  uvjetima  pokretanja,  normalnog  pogona  ili  pod  specificiranim  kvarnim stanjima motora. Time se  osigurava da motor ne može biti uzročnik paljenja.

IEC 60079‐7

EN 60079‐7

Nadtlak (engl. pressurized)  Ex pZaštitnim    plinom  pod  tlakom  u  unutrašnjosti  motora  većim  od  tlaka  okolne atmosfere,  spriječiti  eksplozivnu  atmosferu  da  prodre  unutar motora  i  da  dođe  u kontakt  s  dijelovima  motora,  potencijalnim  uzročnicima  paljenja.  Kod  normalnog pogona  ne  smije  biti  nedozvoljeno  vrućih  površina,  električnog  luka  ni  iskrenja  na kućištu motora.

IEC 60079‐2

EN 60079‐2

Neiskreći  (engl. non spakring) Ex nAPri normalnom pogonu motora  i u nekim  specificiranim uvjetima kvarova ne  smije biti nedozvoljeno vrućih površina, električnog  luka ni  iskrenja. Zaštitom se osigurava da motor ne može biti uzročnik paljenja. Motori za zonu 2 (kategorija opreme 3)

IEC 60079‐15

EN 60079‐15

Zaštita kućištem (engl.  enclosure protected )    Ex t

Kućište motora  treba biti  izvedeno da u motor ne može ući eksplozivna prašina i doći u dodir s djelovima motora koji mogu biti uzročnik zapalenja ili eksplozije.

IEC 61241‐1

EN 61241‐1

12

ELEKTROMOTORNI POGONI U EKSPLOZIJSKI UGROŽENIM PROSTORIMA

PRIMJERI INSTALIRANIH  ELEKTROMOTORNIH POGONA U EKSPLOZIJSKI UGROŽENIM 

PROSTORIMA

13

Kavezni motori naftovodnih pumpi 3300 kW, 6000 V, 50 Hz, 2p=4 protueksplozijska zaštita Ex e, mehanička zaštita IP54

Otok Krk,Terminal  Omišalj, Jadranski naftovod

D. Ban 2014.

14

Visokonaponski motor, “Voith Getriba” i centrifugalna naftovodna pumpa, 3300 kW, 6000 V,  50 Hz, 2p=4,

protueksplozijska zaštita Ex e, mehanička zaštita IP54

Centrifugalna pumpa

Visokonaponski motor

15

Protueksplozijska zaštita nadtlak Ex p, mehanička zaštitaIP54,frekvencijski regulirani pogon,1800 kW,  3,3 kV, 2p=2, 3200  o/min

15

Čisti zrak

PLINSKI MOTOR ZAMIJENJEN REGULIRANIM ASINKRONIM MOTOROM 

Plinski motor 2500 KS (1800 kW), zamijenjen elektromotorom u zaštiti nadtlak

1616

17

Regulirani asinkroni pogon pumpe, rafinerija plina Molve protueksplozijska zaštita oklapanje, Ex d II AT3

mehanička zaštita IP55

D. Ban 2014.

18

Elektromotorni pogon kompresora za otpremu plina (rafinerija INA‐Molve, RH)Regulirani asinkroni kavezni motor 2500 kW, 2p=8, 3300V,  protueksplozijska zaštita nadtlak Ex p, Vodom hlađeni pretvaračfrekvencije ABB ACS 1013‐W1,

19

Postrojenja i postupci dodatnog dobivanja nafte iz iscrpljenih izvora

20

MEHANIČKE KARAKTERISTIKE ASINKRONOG MOTORA I CENTRIFUGALNE PUMPE, POGONSKA RADNA TOČKA STACIONARNOG STANJA

M

M max

M k

M n

n s ncentrifugalna pum

pa

M max ‐maksimalni moment

M n ‐ nazivni moment

motor

n n0

Radna točka pogona

M k ‐moment kratkog spoja

21

PROMJENA MOMENTA I STRUJE U ZALETU KAVEZNOG ASINKRONOG MOTORA ‐ DIREKTNO POKRETANJE 

4

8

2

0,2 0,4 0,6 0,8 1

6

M/Mn

n/ns [min‐1]0

I/In

1

2struja

mome

nt

Relativne vrijednosti struje i momenta u tijeku zaleta, tipične vrijednosti

22

SOFT‐START UREĐAJ –rješenje problema velikih struja pokretanja

Soft‐start  regulira napon motora pri pokretanju čime se smanjuje struja pokretanja,momenti pokretanja i dinamičke sile na cijeli sustav pogona. Nakon zaleta motora koji obično traje manje od jedne minute soft start uređaj se prespoji u direktni spoj motora i mreže‐By pass Contactor

*prema industrijskom katalogu

23

REGULIRANI ILI NEREGULIRANI ELEKTROMOTORNI POGON U EKSPLOZIJSKI UGROŽENOM PROSTORU?

Zašto odabrati regulirani pogon ili zamijeniti postojeći neregulirani reguliranim ?

1.   Zbog zahtjeva tehnološkog procesa (ubrzavanje procesa, automatizacija procesa,..)Prilagodba tehnološkom procesu i uvjetima pogona upravljanjem brzinom ili momentom elektromotora umjesto drugih tehničkih mogućnosti (reduktori, multiplikatori, spojke, prigušivači, .........)Produktivnost i kvaliteta proizvoda mogu bitno ovisiti o preciznosti regulacije brzine vrtnje ili momenta motora (automatizirana proizvodnja)

2.  Zbog zaštite mreže, motora i radnih mehanizama, smanjivanja troškova održavanja

3.   Zbog ušteda ‐ smanjenja potrošnje električne energije

D. Ban 2014.

24

STRUKTURA ELEKTROMOTORNOG POGONA S ASINKRONIM MOTOROM I PRETVARAČEM NAPONA I FREKVENCIJE

Načelna shema energetskog kruga pretvarača frekvencije, velike snage firma (ABB) za asinkroni kavezni motor sa sinusnim filtrom

25

REGULACIJA POGONA ZBOG UŠTEDA ENERGIJE (engl. Energy efficiency)

U petrokemijskom postrojenju asinkroni kavezni motor potroši (pretvori) godišnje energije u  vrijednosti 5‐10 puta većoj od njegove nabavne cijene, a u cijelom vijeku trajanja pogona, tipično 15‐25 godina, potroši 75‐250 puta više za energiju nego je njegova nabavna cijena. 

Ova je činjenica krucijalna pri odluci regulirani ili neregulirani elektromotorni pogon, te za analize pri odlučivanju za zamjene, popravke i održavanja.

Najveće uštede električne energije mogu se postići reguliranim pogonom centrifugalnih pumpi, ventilatora i kompresora koji su podopterećeni u normalnom pogonskom stanju i koji su godišnje relativno dugo vremena u pogonu.

U tehnički razvijenom svijetu prevladava tendencija primjene novih  reguliranih pogona i zamjena postojećih nereguliranih reguliranim, zbog mogućnosti velikih  ušteda energije.

26

UTJECAJ PRIMJENE FREKVENCIJSKIH PRETVARAČA NA NEKA SVOJSTVA REGULIRANOG ELEKTROMOTORNOG POGONA

Premda  upotreba  frekvencijskih  reguliranih  pogona    u  eksplozijom ugroženim postrojenjima  ima  značajnih  prednosti  pred  nereguliranim  pogonima  njihova upotreba unosi i neke nove probleme s aspekta protueksplozijske zaštite.Zbog nelinearnih karakteristika pretvarača naponi i struje koje motori uzimaju iz njih nisu u granicama standardnog sinusnog oblika, kao kod direktnog napajanja iz mreže, već sadrže različite više harmoničke članove. Sadržaj i veličina viših harmonika ovisi o izvedbi ispravljačkog dijela pretvarača i primjeni filtra na izlazu iz pretvarača.

27

REGULIRANI ELEKTROMOTORNI POGON U EKSPLOZIJSKI UGROŽENOM PROSTORU

U  usporedbi  s  nereguliranim  pogonom  (direktno  pokretanje)  regulirani pogon eksplozijski ugroženom prostoru može imati:

slabiju ventilaciju i hlađenje kod smanjenja brzine,

viša naponska naprezanja izolacijskog sustava zbog impulsnih pojava,

više površinske temperature zbog utjecaja nesinusnih napona i struja na povećanje gubitaka u motoru i 

nesimetrične napone i struje zvijezdišta (engl. Common mode voltages and currents) što može izazvati iskrenje na ležajevima motora i oštećenje istih.

28

IMPLUSNE POJAVE U KABELU OD PRETVARAČA DO MOTORA

Izbor kabela i njegovo priključenje na motor i pretvarač treba u skladu s IEC 60034‐25. Što je kraći kabel to je manje zahtjeva na izvedbu kabela i posebne zaštitne mjere između pretvarača i motora.

Zona opasnosti Izvan zone opasnosti

Pretvarač FiltarMreža50/60 Hz

kabel

Nadziranjetemperature

3 fazni kaveznimotor

L1

L2

L3

U

V

W

Osnovna frekvencija5 - 100 Hz

(zagrijavanje)

Frekvencija sklapanja1- 20 kHz

(ležajevi, dodatna zagrijavanja,skin efekt)

Tranzijentna frekvencija300 kHz - 3 MHz

(prenaponi u namotima)

29

GLAVNI IZVORI RIZIKA PALJENJA ZBOG PRIMJENE REGULIRANOG POGONA I MJERE ZA SMANJENJE

Iskrenje zbog proboja izolacije u namotima motora ili priključnoj kutiji  – uzrok impulsi prenapona i reflektirani valovi napona .Smanjenje rizika: Pojačana izolacija i ili du/dt filtri na izlazu iz pretvarača.

Iskrenje na ležajevima zbog promjenljivog napona zajedničke točke, zvjezdišta “Common mode voltages”.Smanjenje rizika: Izoliranje ležaja, uzemljenje osovine većih motora, filtar na izlazu pretvarača (engl. Common mode filter).  

Povećane površinske temperature dijelova motora zbog slabijeg hlađenja ili preopterećenja motora. Povećanje temperature može biti zbog pogona motora izvan specificiranog područja regulacije ili nekorektnog dimenzioniranja motora.

Smanjenje rizika: Temperatura na površini motora mora biti rigorozno provjerena (mjerenjem ili računanjem u pojedinim slučajevima primjene) prema odnosnom standardu. U pogonskim uvjetima temperatura motora mora biti direktno mjerena. Mjerenje opterećenja motora i adekvatna zaštita. Ispravan projekt i odabir motora.

30

PROBLEM LEŽAJNIH STRUJA REGULIRANIH POGONA

Problem ležajnih struja električnih strojeva zbog nesimetrije mag. krugova je davno poznat i rješava se na klasične načine, konstrukcijom stroja i izoliranjem pogonskih komponenata. Tipični problem kod većih i velikih električnih strojeva.

U modernim reguliranim pogonima generiraju se ležajne struje visokih frekvencija zbog nesimetričnosti napona zajedničke točke u invertoru (engleski:common mode voltages). 

Da se izbjegnu oštećenja ili uništenja ležaja moraju se upotrebljavati specijalni filtri na izlazu iz pretvarača, te pažljivo odabrani energetski kabeli za spoj motora i pretvarača. Najčešće treba izolirati ležaje, uzemljiti osovinu  ili primijeniti  keramičke ležaje. Što je regulirani pogon veće  snage to su i problemi ležajnih struja veći.Detaljnije upute i preporuke za probleme ležajnih struja daje isporučitelj pretvarača proizvođaču motora.

31

LEŽAJNE STRUJE U FREKVENCIJSKI REGULIRANOM POGONU

32

PRSTEN KOTRLJAJUĆEG LEŽAJA OŠTEĆEN LEŽAJNIM STRUJAMA

IZVOR: IEC

33

ELEKTRIČNE ZAŠTITE EMP‐A U EKSPLOZIJSKI UGROŽENIM PROSTORIMA

Zaštita motora od preopterećenja u izvedbi oklapanje Ex d u principu se provodi kao i za motore opće namjene jer su i posljedice od eksplozije unutar motora znatno manjeg značenja nego kad se ona dogodi izvan motora. 

Uobičajena je prekostrujna zaštita pomoću bimetalnih releja, ili bolje, zaštita termosondama ugrađenim u namote motora (direktna termička zaštita).

Zaštita od nedozvoljeno visokog zagrijavanja najvažniji je dio izvedbe povećana sigurnost Ex e. Zaštitni relej mora imati takvu karakteristiku da vrijeme isključenja uz zadanu struju kratkog spoja bude kraće od dopuštenog vremena tE stajanja u kratkom spoju.

34

ZAGRIJAVANJE I MINIMALNO VRIJEME tE U OVISNOSTI O ODNOSU STRUJA MOTORA IK/IN , PROTUEKSPLOZIJSKA ZAŠTITA EX e

Minimalno vrijeme tE u ovisnosti o odnosu struje pokretanja i nazivne struje motora Ik/In

Primjer: Porast temperature nakon nastanka kratkog spoja i određivanja vremena tE za kavezni motor 900 kW, 6000 V, 2970 1/min

tEKratki spoj

D. Ban 2014.

35

PROCJENA RIZIKA POTENCIJALNOG PROBOJA  STATORSKOG NAMOTA –FAKTORI RIZIKA PALJENJA PREMA IEC  60079‐14, PRILOG E (NORMATIVAN), ZA MOTORE U PROTUEKSPLOZIJSKOJ ZAŠTITI EX e

36

PROCJENA RIZIKA POTENCIJALNOG PROBOJA  STATORSKOG NAMOTA –FAKTORI RIZIKA PALJENJA PREMA IEC  60079‐14, 

PRILOG E ZA MOTORE U PROTUEKSPLOZIJSKOJ ZAŠTITI EX E

Ako je ukupni faktor rizika veći od onog kojega propisuje norma EN 60079‐7motor mora biti dodatno ispitan u eksplozivnoj plinskoj smjesi ili mora biti osigurano da pri pokretanju kućište motora ne sadrži eksplozivnu atmosferu što se provodi i kod zaštite nadtlak Ex p postupkom ispiranja.

Ako je npr. zbroj faktora rizika iz tablice veći od 6 moraju biti ugrađeni antikondenzacijski grijači. Kućište ne smije sadržavati eksplozivnu atmosferu pri pokretanju motora.

ELEKTRIČKA ZAŠTITA MOTORA U REGULIRANIM POGONIMA

U suvremenim reguliranim pogonima pojedini klasični elementi električkih zaštita motora postaju nepotrebni, jer  su njihove funkcije kao i dodatni zahtjevi ugrađeni u frekvencijski pretvarač.

Uobičajene su zaštite motora ugrađene u sustav pretvarača od:kratkog spoja u motorskom krugu i spojnom kabelu pretvarač –motor,preopterećenje motora – signal iz ugrađenih sondi ili termički model motora,nedozvoljeno visoke temperature ležaja,nedozvoljeno velike  struje i momenta motora,prekida faze motora,zemljospoja.

37

38

ISPITIVANJE ELEKTROMOTORNOG POGONA ZA EKSPLOZIJSKI UGROŽENI PROSTOR

Procedura i način ispitivanja su definirani prema vrsti protueksplozijske zaštite elektromotora.Motori napajani promjenjivom frekvencijom i naponom preko pretvarača moraju biti tipski ispitani za rad u takvim pogonskim uvjetimakao cjelina s pretvaračem i zaštitnim uređajem  → IEC 60079‐14.

39

Hvala na pažnji

40

41

42